KR20120006711A - Premodulated electron emitting device fabricated by wet etching and manufacturing method thereof - Google Patents

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김정일
전석기
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김재홍
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Abstract

PURPOSE: An electron emission device and a manufacturing method thereof are provided to implement mass-production by including a grid structure made with an isotropic wetting process in a silicon wafer direction. CONSTITUTION: A photonic crystal resonator(62) includes a plurality of photonic crystals of a 2D photonic crystal structure. A grid(61) is formed on a silicon wafer corresponding to an electron emitting source. The electron emitting source is formed on the silicon wafer. The electron emitting source is formed at an empty space between photonic crystals. A waveguide(63) is formed at another empty space between the photonic crystals.

Description

습식공정으로 제작된 변조된 전자 방출 소자 및 그 제조방법{Premodulated Electron Emitting Device Fabricated by Wet Etching and Manufacturing Method thereof}Modulated Electron Emitting Device Fabricated By Wet Process And Manufacturing Method Thereof {Premodulated Electron Emitting Device Fabricated by Wet Etching And Manufacturing Method}

본 발명은 전자 방출 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 실리콘 웨이퍼를 이용한 비등방적 습식공정을 이용하여 테라헤르츠 (Terahertz) 대역 이상의 주파수 성분을 갖는 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있는 전자 방출 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron emitting device and a method for manufacturing the same. In particular, an electron emitting device capable of generating a modulated electron beam having a frequency component of more than a terahertz band using an anisotropic wet process using a silicon wafer, and It relates to a manufacturing method.

전자기파를 제어하는 수동소자로서 금속 및 유전체의 주기적인 변화를 이용하는 광결정은 일정 크기(직경)을 갖는 광결정의 주기적 구조에 의해 형성된 일정 전자기파 대역의 진행을 금지시키는 포토닉 밴드 갭(photonic band gap) 현상을 이용하여 전자기파의 손실없이 광도파로를 형성하고 필터, 공진기, 파워분배기, 안테나등 다양한 광 수동소자로 사용될 수 있어 다양한 연구가 진행되고 있다. 이중에서 유전체로 제작된 광결정 공진기는 광결정 공진기 내부에 전자 방출원을 포함하고, 광결정 도파로와 연결되어 인가된 AC 전계와 동시에 광결정 공진기에 인가되는 DC 전계에 의해 테라헤르츠 대역 이상의 주파수 성분을 갖는 변조된 전자 방출 소자 제작에 활용될 수 있다.Photonic band gap phenomenon that prohibits the progress of certain electromagnetic bands formed by the periodic structure of photonic crystals having a certain size (diameter). Various optical waveguides are used to form optical waveguides without loss of electromagnetic waves and can be used as various optical passive elements such as filters, resonators, power dividers, and antennas. The photonic crystal resonator fabricated from dielectrics includes an electron emission source inside the photonic crystal resonator, and is modulated with a frequency component of more than a terahertz band by an AC field connected to the photonic crystal waveguide and a DC field applied to the photonic crystal resonator simultaneously. It can be utilized to fabricate the electron emitting device.

이러한 테라헤르츠파 대역 이상의 광결정 공진기를 제작하기 위해서 기존에는 DRIE(Deep reactive ion etching) 가공, EBL(E-beam lithograpy)에 의한 가공, PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition)에 의한 증착 등의 미세 가공방식을 이용하였다. DRIE 가공방식은 방향성을 가지면서 실리콘 웨이퍼에 적용 가능하고, 3차원 구조물의 제작이 가능하며, 수 마이크로미터 크기의 구조물을 제작 하는 공정에는 적합하지만, 플라즈마를 생성시키기 위해 고가의 장비가 필요하고 이로 인해 공정비가 고가이며, 테라헤르츠 (THz) 영역의 전자기파 대역에 필요한 광결정 공진기를 만들기 위해 수백 마이크로미터 크기의 광결정 구조를 제작하는데 있어 많은 시간이 소요되고, 높이가 큰 구조를 제작 시 Sidewall scalping이 발생되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 플라즈마를 발생시키는 챔버의 크기 제한으로 인하여 빠른 시간 안에 대량으로 광결정 공진기를 생산하는데 어려움이 발생한다. EBL 가공방식은 주기적인 실리콘 광결정 구조를 형성하는데 적합하지 않으며, 유전체에 구멍을 내어 유전체 속으로 전자기파를 진행시키는 광결정 회로에 적합하고, 수 마이크로미터 크기의 유전체 가공에 적합한 기술로 THz 대역까지의 광결정 공진기 제작에는 어려움이 있다. 또한, 전자빔을 이용한 1:1 방식의 가공방식으로 정확도는 매우 높지만 매우 고가의 가공방식이며, 많은 수의 광결정 공진기를 제작하는데 많은 시간이 걸리는 등 어려움이 발생한다. PECVD는 수 마이크로미터 크기의 광결정을 제작하는데 적합하며, 증착 높이의 한계로 인하여 다양한 전자기파 대역의 광결정 공진기를 제작하는 공정에는 적합하지 않다. 이외에 마이크로파 대역에서 사용되고 있는 알루미나와 같은 유전체의 가공 방식으로는 THz 대역에 적합한 수십 에서 수백 마이크로미터 크기의 광결정 구조를 제작하는 공정으로 활용 될 수 없다.In order to manufacture a photonic crystal resonator having a terahertz wave band or more, conventional methods such as deep reactive ion etching (DRIE) processing, processing by E-beam lithograpy (EBL), and deposition by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) Was used. The DRIE processing method is directional and can be applied to silicon wafers, and it is possible to manufacture three-dimensional structures, and is suitable for the process of manufacturing structures of several micrometers in size, but it requires expensive equipment to generate plasma. Due to the high process cost, it takes a lot of time to manufacture a photonic crystal structure of several hundred micrometers in order to make a photonic crystal resonator for the electromagnetic wave band in the terahertz (THz) region, and sidewall scalping occurs when manufacturing a large structure I have a problem. In addition, due to the size limitation of the chamber generating the plasma, it is difficult to produce a photonic crystal resonator in large quantities in a short time. The EBL processing method is not suitable for forming periodic silicon photonic crystal structures, and is suitable for photonic crystal circuits that drill holes in the dielectric to propagate electromagnetic waves into the dielectric, and are suitable for dielectric processing of several micrometers. There is a difficulty in manufacturing the resonator. In addition, the 1: 1 method using the electron beam is very high accuracy but very expensive processing method, it takes a lot of time to produce a large number of photonic crystal resonator, such as difficulty. PECVD is suitable for making photonic crystals of several micrometers in size, and is not suitable for manufacturing photonic crystal resonators of various electromagnetic bands due to the limitation of the deposition height. In addition, the processing method of dielectrics such as alumina, which are used in the microwave band, cannot be used to fabricate photonic crystal structures of tens to hundreds of micrometers suitable for the THz band.

이와 같이 테라헤르츠 (Terahertz) 대역 이상의 주파수 성분을 갖는 그리드 구조를 포함한 광결정 공진기와 전자 방출원이 포함된 변조된 전자 방출 소자를, 선택적인 공정이 수월하고, 상대적으로 가격이 저렴하며, 빠른 시간 안에 대량으로 제작할 수 있는 공정 기술의 개발이 미흡한 상태이다.Thus, a photonic crystal resonator including a grid structure having a frequency component above the terahertz band and a modulated electron emitting device including an electron emission source can be easily processed, relatively inexpensive, and quickly. There is insufficient development of process technology that can be manufactured in large quantities.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 실리콘 웨이퍼를 이용한 비등방적 습식공정을 이용하여 테라헤르츠 (Terahertz) 대역 이상의 주파수 성분을 갖는 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있는 전자 방출 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to use an anisotropic wet process using a silicon wafer to generate a modulated electron beam having a frequency component of more than a terahertz band. An electron emitting device and a method of manufacturing the same are provided.

또한, 제조비용이 저렴하며, 높이가 큰 광결정 공진기 구조를 포함한 변조된 전자 방출 소자를 빠른 시간 안에 대량으로 제작하기 위하여, 실리콘 웨이퍼 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용하여 제작된 그리드 구조를 포함한 광결정 공진기와 광결정 공진기 내부에 전자 방출원이 포함된 전자 방출 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.In addition, a grid structure fabricated using an anisotropic wet process toward the silicon wafer 100 in order to manufacture a large amount of modulated electron emitting devices including a high-crystal photonic crystal resonator structure at a low cost in a short time. The present invention provides an electron emission device including an electron emission source in a photonic crystal resonator and a photonic crystal resonator, and a method of manufacturing the same.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 전자 방출 소자는, 하부의 실리콘 웨이퍼와 상부의 실리콘 웨이퍼 사이에 형성된 2차원 광결정 구조의 복수의 광결정들을 포함한 광결정 공진기; 상기 하부의 실리콘 웨이퍼 상에 형성되고 상기 광결정들 사이의 일부 빈 공간에 형성된 전자 방출원; 상기 광결정들 사이의 다른 빈 공간에 형성된 도파로; 및 상기 전자 방출원과 대응되는 상기 상부의 실리콘 웨이퍼에 형성된 그리드를 포함한다.First, to summarize the features of the present invention, in accordance with an aspect of the present invention for achieving the object of the present invention, the electron emitting device, the two-dimensional photonic crystal structure formed between the upper silicon wafer and the lower silicon wafer A photonic crystal resonator including a plurality of photonic crystals; An electron emission source formed on the lower silicon wafer and formed in some empty space between the photonic crystals; A waveguide formed in another empty space between the photonic crystals; And a grid formed on the upper silicon wafer corresponding to the electron emission source.

상기 하부의 실리콘 웨이퍼와 상기 상부의 실리콘 웨이퍼 사이에 DC 전계를 인가하여 상기 전자 방출원으로부터 전자빔을 발생시키고, 상기 도파로를 통해 AC 전계를 인가하여 상기 전자빔을 변조하여, 변조된 전자빔을 상기 그리드를 통해 방출시킨다.A DC electric field is applied between the lower silicon wafer and the upper silicon wafer to generate an electron beam from the electron emission source, and an AC electric field is applied through the waveguide to modulate the electron beam to convert the modulated electron beam into the grid. Release through.

상기 복수의 광결정들은 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 통하여 형성된다.The plurality of photonic crystals are formed through an anisotropic wet process toward the silicon crystal 100.

상기 하부의 실리콘 웨이퍼는 상기 광결정들 하부로 금속막이 코팅된 웨이퍼이며, 상기 상부의 실리콘 웨이퍼는 상기 광결정들 상부로 금속막이 코팅된 웨이퍼이다.The lower silicon wafer is a wafer coated with a metal film under the photonic crystals, and the upper silicon wafer is a wafer coated with a metal film on the photonic crystals.

상기 전자 방출원은 고차 모드를 위하여 복수의 전자빔 발생원을 포함한다.The electron emission source includes a plurality of electron beam generation sources for the higher order mode.

상기 전자 방출원은 냉음극 또는 열음극 형태를 포함한다.The electron emission source includes a cold cathode or a hot cathode form.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법은, 하부의 실리콘 웨이퍼 상에 일부 빈 공간들이 포함되도록 2차원 광결정 구조의 복수의 광결정들을 형성하는 단계; 상기 하부의 실리콘 웨이퍼 상의 상기 광결정들 사이의 제1 일부 빈 공간에 전자 방출원을 형성하는 단계; 상기 전자 방출원과 대응되는 상부의 실리콘 웨이퍼에 그리드를 형성하는 단계; 및 상기 광결정들과 상기 전자 방출원이 형성된 상기 하부의 실리콘 웨이퍼와 상기 그리드가 형성된 상기 상부의 실리콘 웨이퍼를 접합하는 단계를 포함하고, 상기 광결정들 사이의 제2 일부 빈 공간을 도파로로 이용한다.In addition, the method of manufacturing an electron emission device according to another aspect of the present invention includes forming a plurality of photonic crystals of a two-dimensional photonic crystal structure such that some empty spaces are included on a lower silicon wafer; Forming an electron emission source in a first partial empty space between the photonic crystals on the lower silicon wafer; Forming a grid on an upper silicon wafer corresponding to the electron emission source; And bonding the photonic crystals, the lower silicon wafer on which the electron emission source is formed, and the upper silicon wafer on which the grid is formed, and use a second some empty space between the photonic crystals as a waveguide.

상기 광결정들을 형성하는 단계에서, 각각에 코팅된 금속막이 서로 접촉하도록 접합된 두 실리콘 웨이퍼를 상기 하부의 실리콘 웨이퍼로 이용하여 상기 광결정들을 형성하되 상기 두 실리콘 웨이퍼 중 상부 실리콘 웨이퍼를 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정으로 식각하여 상기 광결정들을 형성하고, 상기 그리드를 형성하는 단계에서, 금속막이 코팅된 상기 상부의 실리콘 웨이퍼에 상기 그리드를 형성하고, 상기 접합하는 단계에서 상기 상부의 실리콘 웨이퍼 상의 금속막이 상기 광결정들과 접촉되도록 접합한다.In the forming of the photonic crystals, the photonic crystals are formed by using the two silicon wafers bonded to each other so that the coated metal film is in contact with each other as the lower silicon wafer, and the upper silicon wafer of the two silicon wafers is the silicon crystal (100) Forming the grids by etching an anisotropic wet process in a direction, and forming the grid; forming the grid on the upper silicon wafer coated with a metal film; and bonding the upper silicon wafer in the bonding step A metal film on top is bonded to contact the photonic crystals.

상기 광결정들을 형성하는 단계에서, 상기 하부의 실리콘 웨이퍼 상에 유전체층을 형성하고 상기 광결정들에 대응되도록 PR 패터닝한 후, 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용한다.In the forming of the photonic crystals, after forming a dielectric layer on the lower silicon wafer and PR patterning to correspond to the photonic crystals, an anisotropic wet process toward the silicon crystal 100 is used.

또는, 상기 광결정들을 형성하는 단계에서, 상기 하부의 실리콘 웨이퍼 상에 상기 광결정들에 대응되도록 습식 공정용 PR을 패터닝한 후, 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용한다.Alternatively, in the forming of the photonic crystals, a wet process PR is patterned to correspond to the photonic crystals on the lower silicon wafer, and then an anisotropic wet process toward the silicon crystal 100 is used.

그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법은, 상부의 실리콘 웨이퍼 상에 일부 빈 공간들이 포함되도록 2차원 광결정 구조의 복수의 광결정들을 형성하는 단계; 상기 상부의 실리콘 웨이퍼 상의 상기 광결정들 사이의 제1 일부 빈 공간에 그리드를 형성하는 단계; 상기 그리드와 대응되는 하부의 실리콘 웨이퍼에 전자 방출원을 형성하는 단계; 및 상기 광결정들과 상기 그리드가 형성된 상기 상부의 실리콘 웨이퍼와 상기 전자 방출원이 형성된 상기 하부의 실리콘 웨이퍼를 접합하는 단계를 포함하고, 상기 광결정들 사이의 제2 일부 빈 공간을 도파로로 이용한다.In another aspect, a method of manufacturing an electron emission device includes: forming a plurality of photonic crystals of a two-dimensional photonic crystal structure such that some empty spaces are included on an upper silicon wafer; Forming a grid in a first partial empty space between the photonic crystals on the upper silicon wafer; Forming an electron emission source on a lower silicon wafer corresponding to the grid; And bonding the photonic crystals, the upper silicon wafer on which the grid is formed, and the lower silicon wafer on which the electron emission source is formed, to use a second some empty space between the photonic crystals as a waveguide.

상기 광결정들을 형성하는 단계에서, 각각에 코팅된 금속막이 서로 접촉하도록 접합된 두 실리콘 웨이퍼를 상기 상부의 실리콘 웨이퍼로 이용하여 상기 광결정들을 형성하되 상기 두 실리콘 웨이퍼 중 상부 실리콘 웨이퍼를 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정으로 식각하여 상기 광결정들을 형성하고, 상기 전자 방출원을 형성하는 단계에서, 금속막이 코팅된 상기 하부의 실리콘 웨이퍼에 상기 전자 방출원을 형성하고, 상기 접합하는 단계에서 상기 상부의 실리콘 웨이퍼를 뒤집어 상기 하부의 실리콘 웨이퍼 상의 금속막이 상기 광결정들과 접촉되도록 접합한다.In the forming of the photonic crystals, the photonic crystals are formed by using the two silicon wafers bonded to each other so that the coated metal films are in contact with each other as the upper silicon wafer, wherein the upper silicon wafer of the two silicon wafers is the silicon crystal (100) Forming the photonic crystals by etching an anisotropic wet process in a direction, and forming the electron emission source, forming the electron emission source on the lower silicon wafer coated with a metal film, and in the bonding step, The upper silicon wafer is inverted to bond a metal film on the lower silicon wafer to contact the photonic crystals.

상기 광결정들을 형성하는 단계에서, 상기 상부의 실리콘 웨이퍼 상에 유전체층을 형성하고 상기 광결정들에 대응되도록 PR 패터닝한 후, 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용한다.In the forming of the photonic crystals, a dielectric layer is formed on the upper silicon wafer and PR patterned to correspond to the photonic crystals, and then an anisotropic wet process toward the silicon crystal 100 is used.

또는, 상기 광결정들을 형성하는 단계에서, 상기 상부의 실리콘 웨이퍼 상에 상기 광결정들에 대응되도록 습식 공정용 PR을 패터닝한 후, 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용한다.Alternatively, in the forming of the photonic crystals, a wet process PR is patterned to correspond to the photonic crystals on the upper silicon wafer, and then an anisotropic wet process toward the silicon crystal 100 is used.

본 발명에 따른 전자 방출 소자 및 그 제조방법에 따르면, 실리콘 웨이퍼 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용하여 제작된 그리드 구조를 포함한 광결정 공진기와 광결정 공진기 내부에 전자 방출원을 포함시켜 테라헤르츠 대역 이상의 주파수 성분을 갖는 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있는 전자 방출 소자를, 저비용으로 빠른 시간에 대량으로 제작하여 제공할 수 있다.According to an electron emission device and a method of manufacturing the same according to the present invention, the photonic crystal resonator and the photonic crystal resonator including a grid structure manufactured by using an anisotropic wet process toward the silicon wafer 100 include an electron emission source in the terahertz. An electron emitting device capable of generating a modulated electron beam having a frequency component of more than a band can be manufactured and provided in large quantities at a low cost and in a short time.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정을 이용하였을 경우의 웨이퍼 단면에 관한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정과 반도체 공정기술을 적용한 실리콘 광결정 공진기와 변조된 전자 방출 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 광결정 공진기와 변조된 전자 방출 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 광결정 공진기와 변조된 전자 방출 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 광결정 공진기와 변조된 전자 방출 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 광결정 구조를 적용한 변조된 전자 방출 소자의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 광결정 구조를 적용한 변조된 전자 방출 소자의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 변조된 전자 방출 소자에서의 변조된 전자빔의 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 변조된 전자 방출 소자에서의 변조된 전자빔의 전류세기를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 변조된 전자 방출 소자에서의 변조된 전자빔의 주파수 성분을 설명하기 위한 도면이다.1 is a schematic diagram of a wafer cross section when an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer is used in accordance with one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process flow diagram illustrating an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer and a fabrication process of a silicon photonic crystal resonator and a modulated electron emitting device applying semiconductor processing technology according to an embodiment of the present invention.
3 is a process flowchart illustrating a manufacturing process of a silicon photonic crystal resonator and a modulated electron emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention.
4 is a process flowchart illustrating a manufacturing process of a silicon photonic crystal resonator and a modulated electron emission device according to another exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a silicon photonic crystal resonator and a modulated electron emission device according to another exemplary embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining an example of a modulated electron emitting device to which the silicon photonic crystal structure according to the embodiments of the present invention is applied.
7 is a view for explaining another example of a modulated electron emitting device to which the silicon photonic crystal structure according to the embodiments of the present invention is applied.
8 is a view for explaining the distribution of the modulated electron beam in the modulated electron emitting device according to the present invention.
9 is a view for explaining the current strength of the modulated electron beam in the modulated electron emitting device according to the present invention.
10 is a view for explaining the frequency component of the modulated electron beam in the modulated electron emitting device according to the present invention.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정을 이용하였을 경우의 웨이퍼 단면에 관한 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a wafer cross section when an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer is used in accordance with one embodiment of the present invention.

도 1에서, 광결정 구조의 다양한 포토닉 밴드 갭 특성을 이용하기 위하여 비등방적 습식공정에 사용되는 실리콘 웨이퍼(11)로서 유전체의 특성이 다른 다양한 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 도 1의 12는 비등방적 습식공정에 사용되는 실리콘 웨이퍼(11)의 결정 방향 (100)을 보여주고 있고, 도 1의 13은 실리콘 웨이퍼 결정구조의 (111)축과 (110)축 사이의 각도 54.74도로 인하여 비등방적 습식공정을 하였을 때 결정되는 각도 54.74도를 보여준다. In FIG. 1, various silicon wafers having different dielectric properties may be used as the silicon wafer 11 used in the anisotropic wet process to use various photonic band gap characteristics of the photonic crystal structure. 12 shows the crystal direction 100 of the silicon wafer 11 used in the anisotropic wet process, and FIG. 1 13 shows the angle between the (111) and (110) axes of the silicon wafer crystal structure. Because of the 54.74 degrees, the anisotropic wet process shows an angle of 54.74 degrees.

본 발명에서는 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용할 때 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (111)과 (110)의 축 사이의 각도 54.74도에 의하여 습식공정 시 광결정 구조가 결정되고, 이러한 각도를 이용하여 광결정 구조를 만들어 광도파로, 공진기, 필터, 안테나 등과 같은 광결정 수동소자를 제조할 수 있도록 하였다. In the present invention, when using an anisotropic wet process in the crystal direction (100) direction of the silicon wafer, the photonic crystal structure in the wet process is determined by the angle 54.74 degrees between the axes of the crystal direction (111) and (110) of the silicon wafer. Using these angles, a photonic crystal structure was made to manufacture photonic crystal passive devices such as optical waveguides, resonators, filters, and antennas.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정과 반도체 공정기술을 적용한 실리콘 광결정 공진기와 변조된 전자 방출 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 여기서는, 실리콘 광결정이 2차원적으로 주기적인 구조로 배열되어 있고, (100) 축 방향으로 상부에 그리드(grid) 구조(24)를 포함한 금속 코팅된 실리콘 웨이퍼 덮개가 있어 축 방향으로의 전자파 손실을 막아주고, 광결정 구조에 의해 형성된 광결정 공진기 내부(광결정들 사이)에 전자 방출원(25)이 포함된 구조의 제조 공정을 설명한다.FIG. 2 is a process flow diagram illustrating an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer and a fabrication process of a silicon photonic crystal resonator and a modulated electron emitting device applying semiconductor processing technology according to an embodiment of the present invention. Here, the silicon photonic crystals are arranged in a two-dimensional periodic structure, and there is a metal-coated silicon wafer cover including a grid structure 24 on top in the (100) axial direction to prevent electromagnetic wave loss in the axial direction. The manufacturing process of the structure including the electron emission source 25 inside the photonic crystal resonator (between the photonic crystals) formed by the photonic crystal structure will be described.

먼저, (100) 결정의 HR(High Resistivity) 실리콘 웨이퍼 상부에, 에칭 마스크(Etching mask)로 사용될 유전체층(Dielectric layer)(21)으로서 SiO2 혹은 SiN를 PECVD 장비를 이용하여 증착시키고, HR 실리콘 웨이퍼의 하부와 일반 실리콘 웨이퍼의 상부에 금(Au)막(22)을 형성한 후(도 2의 A), 금(Au)막(22)을 사이에 두고(금막이 접촉하도록) HR 실리콘 웨이퍼와 일반 실리콘 웨이퍼을 접합한다(도 2의 B).First, SiO 2 or SiN is deposited using a PECVD apparatus as a dielectric layer 21 to be used as an etching mask on the HR (High Resistivity) silicon wafer of a (100) crystal, and an HR silicon wafer After the gold (Au) film 22 was formed on the lower portion of the silicon wafer and the upper portion of the general silicon wafer (A in FIG. 2), the gold (Au) film 22 was sandwiched between the gold silicon (Au) layers and the HR silicon wafer. A normal silicon wafer is bonded (B of FIG. 2).

다음에, 포토(Photo) 공정을 하기 위해 접합된 웨이퍼를 클리닝(Cleaning) 한 후 Photo 공정용 PR(Photoresist)(23)을 스핀 코터(Spin coater)를 이용하여 유전체층(21) 위에 코팅시키고, PR 코팅 후 솔벤트(Solvent)를 제거하고 PR의 접착력을 향상시키기 위해 연화 건조(Soft bake) 공정을 이용한다. 그 후 PR에 원하는 광결정 구조를 패터닝 하기 위하여 포토마스크(Photomask)와 마스크 얼라이너(Maskaligner)를 이용하여 자외선 빛을 통해 패터닝 공정을 수행한 후, 현상공정을 통해 PR에 광결정 구조를 형성하고, 이와 같은 PR 패터닝 후 RIE(Reactive ion etching) 공정을 이용하여 유전체층(21)에 광결정 구조를 형성한다(도 2의 C).Next, after cleaning the bonded wafers for the photo process, the photoresist 23 for photo process is coated on the dielectric layer 21 using a spin coater, and the PR Soft bake process is used to remove solvent after coating and to improve adhesion of PR. After that, a patterning process is performed through UV light using a photomask and a mask aligner to pattern the desired photonic crystal structure in PR, and then a photonic crystal structure is formed in the PR through a developing process. After the PR patterning, a photonic crystal structure is formed on the dielectric layer 21 by using a reactive ion etching (RIE) process (FIG. 2C).

이에 따라 도 2의 C와 같이 PR과 유전체층(21)에 광결정 구조가 형성되면, 유전체층(21) 상부에 남아있는 PR를 애셔(Asher) 장비를 이용해 제거한다. 이후 유전체층(21)을 에칭 마스크(Etching mask)로 이용하여 HR 실리콘 웨이퍼의 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 진행하여 일부 빈 공간들(도파로와 전자 방출원 형성을 위한 공간)이 포함된 2차원 배열의 광결정들을 포함하는 실리콘 광결정 공진기 구조를 형성한다(도 2의 D). 비등방적 습식공정으로 인하여 광결정 구조는 도 1과 같이 54.74도의 경사를 갖도록 형성된다. 이와 같은 광결정 구조에 따른 광결정 공진기는 광결정 도파로(도 6, 7 참조)와 연결되어 외부에서 인가된 AC 전계가 광결정 공진기에 커플링 되는 구조로 될 수 있다. Accordingly, when the photonic crystal structure is formed on the PR and the dielectric layer 21 as shown in FIG. 2C, the PR remaining on the dielectric layer 21 is removed using an Asher device. Then, an anisotropic wet process is performed in the direction of the HR silicon wafer (100) using the dielectric layer 21 as an etching mask to include some empty spaces (spaces for forming waveguides and electron emission sources). A silicon photonic crystal resonator structure is formed that includes photonic crystals in a two dimensional array (FIG. 2D). Due to the anisotropic wet process, the photonic crystal structure is formed to have an inclination of 54.74 degrees as shown in FIG. 1. The photonic crystal resonator according to the photonic crystal structure may be connected to the photonic crystal waveguide (see FIGS. 6 and 7) so that an AC field applied from the outside is coupled to the photonic crystal resonator.

이와 같이 일반 실리콘 웨이퍼의 금막(22) 상부에 실리콘 광결정 공진기가 형성된 후, 광결정들 사이의 빈공간에, 전계 방출 물질을 이용하여 전자 방출원(전자빔 발생 수단)(25)을 형성할 수 있고, 습식식각 공정, 건식식각 공정, 레이저 가공 등의 방법을 이용하여 제작된 그리드(24)를 포함한 금속(26) 코팅된 실리콘 웨이퍼 덮개를 그 위에 접합할 수 있다(도 2의 E). 전자 방출원(25)에서 발생한 (변조된)전자빔은 그리드(24)에 의하여 (100) 방향으로 진행하여 그리드(24)를 통과해 출사될 수 있다. 또한, 그리드(24)를 포함한 금속 코팅된 실리콘 웨이퍼 덮개는 축 방향((100) 방향)으로의 전자파 손실을 막아줄 수 있다. As described above, after the silicon photonic crystal resonator is formed on the gold film 22 of the general silicon wafer, an electron emission source (electron beam generating means) 25 may be formed in an empty space between the photonic crystals using a field emission material. A metal 26 coated silicon wafer cover including a grid 24 fabricated using a wet etching process, a dry etching process, laser processing, or the like may be bonded thereon (FIG. 2E). The (modulated) electron beam generated by the electron emission source 25 may travel in the (100) direction by the grid 24 and exit through the grid 24. In addition, the metal-coated silicon wafer cover including the grid 24 can prevent electromagnetic wave loss in the axial direction ((100) direction).

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 광결정 공진기와 변조된 전자 방출 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 3 is a process flowchart illustrating a manufacturing process of a silicon photonic crystal resonator and a modulated electron emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 3에서는, 먼저, (100) 결정의 HR(High Resistivity) 실리콘 웨이퍼 하부와 일반 실리콘 웨이퍼의 상부에 금(Au)막(22)을 형성한 후, 금(Au)막(22)을 사이에 두고 HR 실리콘 웨이퍼와 일반 실리콘 웨이퍼을 접합한다(도 3의 A). 도 2와 같이, 유전체층(21) 대신에, 습식 공정용 PR (Photoresist), 예를 들어, ProTEK PSB-23(32)을 코팅하고 패터닝하여, ProTEK PSB-23(32) 패턴을 에칭 마스크(Etching mask)로 이용하여 HR 실리콘 웨이퍼의 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 진행하여 일부 빈 공간들(도파로와 전자 방출원 형성을 위한 공간)이 포함된 2차원 배열의 광결정들을 포함하는 실리콘 광결정 공진기 구조를 형성할 수 있다(도 3의 B, C, D). 이후, 도 2와 유사하게, 이와 같이 일반 실리콘 웨이퍼의 금막(22) 상부에 실리콘 광결정 공진기가 형성된 후, 광결정들 사이의 빈공간에, 전계 방출 물질을 이용하여 전자 방출원(전자빔 발생 수단)(25)을 형성할 수 있고, 습식식각 공정, 건식식각 공정, 레이저 가공 등의 방법을 이용하여 제작된 그리드(24)를 포함한 금속 코팅된 실리콘 웨이퍼 덮개를 그 위에 접합할 수 있다(도 3의 E). In FIG. 3, first, a gold (Au) film 22 is formed on a lower portion of the HR (High Resistivity) silicon wafer of a (100) crystal and on an ordinary silicon wafer, and then the gold (Au) film 22 is interposed therebetween. The HR silicon wafer and the normal silicon wafer are bonded together (A of FIG. 3). As shown in FIG. 2, instead of the dielectric layer 21, a wet process photoresist (PR), for example, ProTEK PSB-23 (32) is coated and patterned to etch the ProTEK PSB-23 (32) pattern. An anisotropic wet process in the direction of (100) of the HR silicon wafer is used as a mask to produce a silicon photonic crystal including a two-dimensional array of photonic crystals containing some empty spaces (a space for forming waveguides and electron emission sources). The resonator structure can be formed (B, C, D of FIG. 3). Then, similar to FIG. 2, after the silicon photonic crystal resonator is formed on the gold film 22 of the general silicon wafer as described above, an electron emission source (electron beam generating means) using a field emission material in the empty space between the photonic crystals ( 25), and a metal-coated silicon wafer cover including a grid 24 fabricated using a wet etching process, a dry etching process, laser processing, or the like can be bonded thereon (E of FIG. 3E). ).

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 광결정 공진기와 변조된 전자 방출 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 4 is a process flowchart illustrating a manufacturing process of a silicon photonic crystal resonator and a modulated electron emission device according to another exemplary embodiment of the present invention.

여기서, 도 4의 (A) 내지 (D)까지의 공정은, 도 2의 (A) 내지 (D)까지의 공정과 유사하다. Here, the process to FIG. 4 (A)-(D) is similar to the process to FIG. 2 (A)-(D).

다만, 이후에, 즉, 도 4의 (A) 내지 (D)의 공정을 통하여 일반 실리콘 웨이퍼의 금막(22) 상부에 실리콘 광결정 공진기가 형성된 후, 광결정들 사이의 빈공간에, 습식식각 공정, 건식식각 공정, 레이저 가공 등의 방법을 이용하여 그물망 형태로 형성되는 그리드(44)를 추가적으로 형성한다(도 4의 E). 이에 따라 광결정 공진기와 그리드(44)가 형성된 웨이퍼를 뒤집고, 그 하부로 광결정들과 접촉시켜 그리드(44)에 대응되는 위치에 전자 방출원(45)이 형성되어 있는 금속 코팅된 실리콘 웨이퍼 구조물을 접합시킨다(도 4의 F). 이에 따라 전자 방출원(45)에서 발생한 (변조된)전자빔은 그리드(44)에 의하여 (100) 방향으로 진행하여 그리드(44)를 통과해 출사될 수 있다. 여기서도 도 2와 유사하게, 광결정들 사이에 그리드(44)를 포함하도록 먼저 제조된 구조물이 축 방향((100) 방향)으로의 전자파 손실을 막아주는 덮개 역할을 한다. However, after that, ie, after the silicon photonic crystal resonator is formed on the gold film 22 of the general silicon wafer through the process of FIGS. 4A to 4D, a wet etching process is performed in the empty space between the photonic crystals. A grid 44 formed in the form of a mesh is additionally formed using a dry etching process or a laser processing method (E of FIG. 4). Accordingly, the photonic crystal resonator and the wafer on which the grid 44 is formed are turned upside down, and the lower surface is brought into contact with the photonic crystals to bond the metal-coated silicon wafer structure in which the electron emission source 45 is formed at a position corresponding to the grid 44. (F of FIG. 4). Accordingly, the (modulated) electron beam generated by the electron emission source 45 may travel in the (100) direction by the grid 44 and exit through the grid 44. Here, too, similarly to FIG. 2, the first fabricated structure to include the grid 44 between the photonic crystals serves as a cover for preventing electromagnetic loss in the axial direction ((100) direction).

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 광결정 공진기와 변조된 전자 방출 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. FIG. 5 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a silicon photonic crystal resonator and a modulated electron emission device according to another exemplary embodiment of the present invention.

여기서, 도 5의 (A) 내지 (D)까지의 공정은, 도 3의 (A) 내지 (D)까지의 공정과 유사하다. Here, the process to FIG. 5 (A)-(D) is similar to the process to FIG. 3 (A)-(D).

다만, 이후에, 즉, 도 5의 (A) 내지 (D)의 공정을 통하여 도 2의 유전체층(21) 대신에, 습식 공정용 PR (Photoresist)을 이용해 일반 실리콘 웨이퍼의 금막(22) 상부에 실리콘 광결정 공진기가 형성된 후, 광결정들 사이의 빈공간에, 습식식각 공정, 건식식각 공정, 레이저 가공 등의 방법을 이용하여 그물망 형태로 형성되는 그리드(44)를 추가적으로 형성한다(도 5의 E). 이에 따라 광결정 공진기와 그리드(44)가 형성된 웨이퍼를 뒤집고, 그 하부로 광결정들과 접촉시켜 그리드(44)에 대응되는 위치에 전자 방출원(45)이 형성되어 있는 금속 코팅된 실리콘 웨이퍼 구조물을 접합시킨다(도 5의 F). 이에 따라 전자 방출원(45)에서 발생한 (변조된)전자빔은 그리드(44)에 의하여 (100) 방향으로 진행하여 그리드(44)를 통과해 출사될 수 있다. 여기서도 도 2와 유사하게, 광결정들 사이에 그리드(44)를 포함하도록 먼저 제조된 구조물이 축 방향((100) 방향)으로의 전자파 손실을 막아주는 덮개 역할을 한다. However, later, that is, instead of the dielectric layer 21 of FIG. 2 through the processes of FIGS. 5A to 5D, a wet process PR (Photoresist) is used on the gold film 22 of the general silicon wafer. After the silicon photonic crystal resonator is formed, a grid 44 formed in a net form is additionally formed in the empty space between the photonic crystals by using a wet etching process, a dry etching process, or a laser processing method (FIG. 5E). . Accordingly, the photonic crystal resonator and the wafer on which the grid 44 is formed are turned upside down, and the lower surface is brought into contact with the photonic crystals to bond the metal-coated silicon wafer structure in which the electron emission source 45 is formed at a position corresponding to the grid 44. (FIG. 5F). Accordingly, the (modulated) electron beam generated by the electron emission source 45 may travel in the (100) direction by the grid 44 and exit through the grid 44. Here, too, similarly to FIG. 2, the first fabricated structure to include the grid 44 between the photonic crystals serves as a cover for preventing electromagnetic loss in the axial direction ((100) direction).

도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 광결정 구조를 적용한 변조된 전자 방출 소자의 일례를 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining an example of a modulated electron emitting device to which the silicon photonic crystal structure according to the embodiments of the present invention is applied.

도 6을 참조하면, 도 2내지 도 5중 어느 하나의 제조 방법으로 제조된 전자 방출 소자는, 하부의 실리콘 웨이퍼과 상부의 실리콘 웨이퍼 사이에 형성된 2차원 광결정 구조의 복수의 광결정들을 포함한 광결정 공진기(62), 하부의 실리콘 웨이퍼 상에 형성되고 광결정들(62) 사이의 일부 빈 공간에 형성된 전자 방출원(64)을 포함하고, 광결정들(62) 사이의 다른 빈 공간(예를 들어, 직선 형태로 광결정들이 형성되지 않은 부분)을 도파로(63)로 이용하며, 상부의 실리콘 웨이퍼에는 전자 방출원(64)과 대응되는 위치에 그리드(61)를 포함한다.Referring to FIG. 6, an electron emission device manufactured by the manufacturing method of any one of FIGS. 2 to 5 includes a photonic crystal resonator 62 including a plurality of photonic crystals having a two-dimensional photonic crystal structure formed between a lower silicon wafer and an upper silicon wafer. ), An electron emission source 64 formed on the underlying silicon wafer and formed in some void spaces between the photonic crystals 62, and another void space between the photonic crystals 62 (eg, in a straight line form). A portion in which photo crystals are not formed) is used as the waveguide 63, and the upper silicon wafer includes a grid 61 at a position corresponding to the electron emission source 64.

광결정 공진기(62)에 포함된 광결정들(62)은 2차원으로 서로 일정 간격을 갖도록 형성될 수 있으며, 사각형(Square), 삼각형(Triangular) 등 다양한 형태의 주기적인 배열로 형성될 수 있다. 또한, 전자 방출원(64)은 냉음극 형태에 한정되지 않으며, 경우에 따라 열음극 형태일 수도 있다. The photonic crystals 62 included in the photonic crystal resonator 62 may be formed to have a predetermined distance from each other in two dimensions, and may be formed in a periodic arrangement of various shapes such as a square and a triangular. In addition, the electron emission source 64 is not limited to the cold cathode form, and may be in the hot cathode form in some cases.

이와 같이 광결정 공진기(62) 내부에 형성된 전자 방출원(64)으로부터 변조된 전자빔을 안정적으로 발생시키기 위하여 AC(Alternating Current) 전계와 DC(Direct Current) 전계가 동시에 인가될 수 있다. DC 전계는 하부의 실리콘 웨이퍼과 상부의 실리콘 웨이퍼 사이에 DC 전압(VDC)를 공급하여 인가될 수 있고, AC 전계는 외부의 전자기파 발생원으로부터 발생된 소정 주파수의 전자기파를 광결정 도파로(63) 쪽으로 공급하여 인가될 수 있다. 이와 같이, 동시에 인가된 AC 전계와 DC 전계에 의하여 전계 방출원(64)으로부터 안정적으로 변조된 전자빔을 발생시켜 그리드(61)를 통해 외부로 방출시킬 수 있다. 즉, 하부의 실리콘 웨이퍼와 상부의 실리콘 웨이퍼 사이에 DC 전계를 인가하여 전자 방출원(64)으로부터 전자빔을 발생시키고, 도파로(63)를 통해 AC 전계를 인가하여 전자 방출원(64)으로부터의 전자빔을 변조함으로써, 변조된 전자빔을 그리드(61)를 통해 방출시킬 수 있다.As such, an alternating current (AC) field and a direct current (DC) field may be simultaneously applied to stably generate an electron beam modulated from the electron emission source 64 formed in the photonic crystal resonator 62. The DC electric field may be applied by supplying a DC voltage (V DC ) between the lower silicon wafer and the upper silicon wafer, and the AC electric field supplies electromagnetic waves of a predetermined frequency generated from an external electromagnetic wave source toward the photonic crystal waveguide 63. Can be applied. In this manner, an electron beam stably modulated from the field emission source 64 by the AC and DC fields applied simultaneously may be generated and emitted to the outside through the grid 61. That is, a DC electric field is applied between the lower silicon wafer and the upper silicon wafer to generate an electron beam from the electron emission source 64, and an AC electric field is applied through the waveguide 63 to emit the electron beam. By modulating, the modulated electron beam can be emitted through the grid 61.

도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 광결정 구조를 적용한 변조된 전자 방출 소자의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining another example of a modulated electron emitting device to which the silicon photonic crystal structure according to the embodiments of the present invention is applied.

도 7의 전자 방출 소자는, 고차모드 (High order mode) 공진기를 적용한 것으로서, 도 6과 유사하게 광결정 공진기(62), 도파로(63)를 포함하고, 다만, 도 6과는 일부 다른 형태의 전자 방출원(74)과 그리드(71)를 포함한다. 즉, 여기서는 고차모드 공진기에 적합하게 전자 방출원(64)이 복수로 형성된 전자빔 발생 수단을 포함하고, 이에 대응하여 그리드(71)가 충분한 영역을 갖도록 형성된다. 이에 따라, AC 전계와 DC 전계에 의하여 전계 방출원(74)으로부터 안정적으로 복수의 변조된 전자빔을 발생시켜 그리드(71)를 통해 외부로 방출시킬 수 있다.The electron emission device of FIG. 7 employs a high order mode resonator, and includes a photonic crystal resonator 62 and a waveguide 63 similarly to FIG. 6, except that the electron emission device of FIG. A discharge source 74 and a grid 71. That is, here, the electron beam generating means in which a plurality of electron emission sources 64 are formed to be suitable for the high-order mode resonator is included, and correspondingly, the grid 71 is formed to have a sufficient area. Accordingly, a plurality of modulated electron beams can be stably generated from the field emission source 74 by the AC electric field and the DC electric field to be emitted to the outside through the grid 71.

도 8은 본 발명에 따른 변조된 전자 방출 소자에서의 변조된 전자빔의 분포를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 본 발명에서 제안한 변조된 전자 방출 소자에 대하여, 3차원 Particle-In-Cell (PIC) 전자빔 시뮬레이션을 이용하여 계산한 전자빔 분포를 보여준다. 하부의 실리콘 웨이퍼과 상부의 실리콘 웨이퍼 사이에서 변조된 전자빔이 안정적으로 방출될 수 있음을 보여준다. 8 is a view for explaining the distribution of the modulated electron beam in the modulated electron emitting device according to the present invention. Here, the electron beam distribution calculated using the 3D Particle-In-Cell (PIC) electron beam simulation for the modulated electron-emitting device proposed in the present invention is shown. It shows that the modulated electron beam can be stably emitted between the lower silicon wafer and the upper silicon wafer.

시뮬레이션에 사용된 두 기판 사이의 거리는 100 ㎛, 전자빔 발생 영역의 반지름은 25 ㎛, 전자빔은 전계 방출식인 [수학식 1] 또는 [수학식 2]와 같은 Fowler-Nordheim 관계식에 의하여 발생될 수 있다. 여기서, I는 전류, J는 전류밀도, A는 Effective emitting area, C와 D는 Fowler-Nordheim Plot을 통해 실험 결과로부터 계산된 전계 방출 물질의 특성 값, d는 두 기판(웨이퍼) 사이의 거리, φ는 전계 방출 물질의 Work function값이다.The distance between the two substrates used in the simulation is 100 μm, the radius of the electron beam generating region is 25 μm, and the electron beam may be generated by a Fowler-Nordheim relation such as Equation 1 or Equation 2, which is a field emission equation. Where I is the current, J is the current density, A is the effective emitting area, C and D are the characteristic values of the field emission material calculated from the experimental results through the Fowler-Nordheim Plot, d is the distance between the two substrates (wafer), φ is the work function value of the field emission material.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

도 9는 본 발명에 따른 변조된 전자 방출 소자에서의 변조된 전자빔의 전류세기를 설명하기 위한 도면이다. 여기서는, 본 발명에 따른 변조된 전자 방출 소자에 대하여, 3차원 Particle-In-Cell (PIC) 전자빔 시뮬레이션을 이용하여 계산한 변조된 전자빔의 전류 세기를 보여준다. 광결정 공진기(62) 구조를 갖는 두 기판 사이에 DC 전계 5 V/um과 0.1 THz 주파수를 갖는 AC 전계 5 V/um을 인가였을 때의 방출된 전자빔의 변조된 전류 세기를 보여준다. 전계 방출 물질의 특성 값은 C = 6.17 x 10-16 A/V2, D = 1.05 x 107 V/m을 사용하였다. AC 전계 외에 DC 전계가 추가로 인가되어 전자 방출원에서 발생된 전자빔이 천이 시간 효과 (Transit time effect)를 극복하면서, 0.1 THz 주파수 성분을 가지며 안정적으로 변조되어 발생됨을 확인 할 수 있다.9 is a view for explaining the current strength of the modulated electron beam in the modulated electron emitting device according to the present invention. Here, for the modulated electron-emitting device according to the present invention, the current intensity of the modulated electron beam calculated using three-dimensional particle-in-cell (PIC) electron beam simulation is shown. The modulated current intensity of the emitted electron beam is shown when applying a DC electric field 5 V / um and an AC electric field 5 V / um with a 0.1 THz frequency between the two substrates having the photonic crystal resonator 62 structure. The characteristic value of the field emission material was C = 6.17 x 10 -16 A / V 2 , D = 1.05 x 10 7 V / m. In addition to the AC electric field, a DC electric field is additionally applied, and the electron beam generated from the electron emission source overcomes the transition time effect, and it can be confirmed that the TH TH component has a frequency component of 0.1 TH and is stably modulated.

도 10은 본 발명에 따른 변조된 전자 방출 소자에서의 변조된 전자빔의 주파수 성분을 설명하기 위한 도면이다. 여기서는, 본 발명에서 제안한 변조된 전자 방출 소자에 대하여, 3차원 Particle-In-Cell (PIC) 전자빔 시뮬레이션을 이용하여 계산한 변조된 전자빔의 주파수 성분을 보여준다. 광결정 공진기(62) 구조를 갖는 두 기판 사이에 DC 전계 5 V/um과 0.1 THz 주파수를 갖는 AC 전계 5 V/um을 인가였을 때 변조된 전자빔은 0.1 THz 주파수 성분을 가지면서 발생되고 있음을 확인 할 수 있다. 10 is a view for explaining the frequency component of the modulated electron beam in the modulated electron emitting device according to the present invention. Here, for the modulated electron-emitting device proposed in the present invention, the frequency component of the modulated electron beam calculated using 3D Particle-In-Cell (PIC) electron beam simulation is shown. When the DC electric field 5 V / um and the AC electric field 5 V / um having 0.1 THz frequency were applied between the two substrates having the photonic crystal resonator 62, it was confirmed that the modulated electron beam was generated with the 0.1 THz frequency component. can do.

이와 같이, 본 발명에서는, 실리콘 웨이퍼의 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정과 반도체 가공기술을 이용하여 변조된 전자 방출 소자를 제조하였다. 본 발명에 따르면, 광결정 공진기와 광결정 공진기 내부에 전자 방출원을 포함시켜 테라헤르츠 대역 이상의 주파수 성분을 갖는 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있는 전자 방출 소자를, 저비용으로 빠른 시간에 대량으로 제작하여 제공할 수 있다. As described above, in the present invention, a modulated electron-emitting device was manufactured using an anisotropic wet process toward the (100) direction of the silicon wafer and semiconductor processing technology. According to the present invention, an electron emission device capable of generating a modulated electron beam having a frequency component of more than a terahertz band by including an electron emission source inside the photonic crystal resonator and the photonic crystal resonator can be manufactured and provided in large quantities at a low cost in a short time. Can be.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

11: 실리콘 웨이퍼
12: 결정 방향 (100)
13: (111)축과 (110)축 사이의 각도 54.74도
21: 유전체층
22: 금막
23: PR
24, 44, 61, 71: 그리드
25, 45, 64: 전자 방출원
32: 습식 공정용 PR
62: 광결정 공진기
63: 도파로11: silicon wafer
12: crystal direction (100)
13: 54.74 degrees between (111) and (110) axes
21: dielectric layer
22: gold curtain
23: PR
24, 44, 61, 71: grid
25, 45, 64: electron emission source
32: PR for wet process
62: photonic crystal resonator
63: waveguide

Claims (16)

하부의 실리콘 웨이퍼와 상부의 실리콘 웨이퍼 사이에 형성된 2차원 광결정 구조의 복수의 광결정들을 포함한 광결정 공진기;
상기 하부의 실리콘 웨이퍼 상에 형성되고 상기 광결정들 사이의 일부 빈 공간에 형성된 전자 방출원;
상기 광결정들 사이의 다른 빈 공간에 형성된 도파로; 및
상기 전자 방출원과 대응되는 상기 상부의 실리콘 웨이퍼에 형성된 그리드
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.A photonic crystal resonator including a plurality of photonic crystals of a two-dimensional photonic crystal structure formed between a lower silicon wafer and an upper silicon wafer;
An electron emission source formed on the lower silicon wafer and formed in some empty space between the photonic crystals;
A waveguide formed in another empty space between the photonic crystals; And
A grid formed on the upper silicon wafer corresponding to the electron emission source
Electron emitting device comprising a. 제1항에 있어서,
상기 하부의 실리콘 웨이퍼와 상기 상부의 실리콘 웨이퍼 사이에 DC 전계를 인가하여 상기 전자 방출원으로부터 전자빔을 발생시키고,
상기 도파로를 통해 AC 전계를 인가하여 상기 전자빔을 변조하여, 변조된 전자빔을 상기 그리드를 통해 방출시키는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.The method of claim 1,
Applying a DC electric field between the lower silicon wafer and the upper silicon wafer to generate an electron beam from the electron emission source,
And modulating the electron beam by applying an AC electric field through the waveguide to emit the modulated electron beam through the grid. 제1항에 있어서,
상기 복수의 광결정들은 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.The method of claim 1,
And the plurality of photonic crystals are formed through an anisotropic wet process toward the silicon crystal (100). 제1항에 있어서,
상기 하부의 실리콘 웨이퍼는 상기 광결정들 하부로 금속막이 코팅된 웨이퍼이며, 상기 상부의 실리콘 웨이퍼는 상기 광결정들 상부로 금속막이 코팅된 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.The method of claim 1,
And the lower silicon wafer is a wafer coated with a metal film under the photonic crystals, and the upper silicon wafer is a wafer coated with a metal film on the photonic crystals. 제1항에 있어서,
상기 전자 방출원은 고차 모드를 위하여 복수의 전자빔 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.The method of claim 1,
And said electron emission source comprises a plurality of electron beam generating means for a higher order mode. 제1항에 있어서,
상기 전자 방출원은 냉음극 또는 열음극 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.The method of claim 1,
And the electron emission source comprises a cold cathode or a hot cathode. 제 1항에 있어서,
상기 그리드는 습식식각 공정, 건식식각 공정, 또는 레이저 가공 방법을 이용하여 제작된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.The method of claim 1,
The grid is an electron emission device, characterized in that produced by using a wet etching process, dry etching process, or laser processing method. 제 1항에 있어서,
상기 광결정 구조의 복수의 광결정들의 주기적인 배열 형태는 사각형 또는 삼각형을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.The method of claim 1,
And the periodic arrangement of the plurality of photonic crystals of the photonic crystal structure comprises a square or a triangle. 하부의 실리콘 웨이퍼 상에 일부 빈 공간들이 포함되도록 2차원 광결정 구조의 복수의 광결정들을 형성하는 단계;
상기 하부의 실리콘 웨이퍼 상의 상기 광결정들 사이의 제1 일부 빈 공간에 전자 방출원을 형성하는 단계;
상기 전자 방출원과 대응되는 상부의 실리콘 웨이퍼에 그리드를 형성하는 단계; 및
상기 광결정들과 상기 전자 방출원이 형성된 상기 하부의 실리콘 웨이퍼와 상기 그리드가 형성된 상기 상부의 실리콘 웨이퍼를 접합하는 단계를 포함하고,
상기 광결정들 사이의 제2 일부 빈 공간을 도파로로 이용하기 위한 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.Forming a plurality of photonic crystals of a two-dimensional photonic crystal structure such that some empty spaces are included on the underlying silicon wafer;
Forming an electron emission source in a first partial empty space between the photonic crystals on the lower silicon wafer;
Forming a grid on an upper silicon wafer corresponding to the electron emission source; And
Bonding the photonic crystals, the lower silicon wafer on which the electron emission source is formed, and the upper silicon wafer on which the grid is formed,
And using a second partial empty space between the photonic crystals as a waveguide. 제9항에 있어서,
상기 광결정들을 형성하는 단계에서, 각각에 코팅된 금속막이 서로 접촉하도록 접합된 두 실리콘 웨이퍼를 상기 하부의 실리콘 웨이퍼로 이용하여 상기 광결정들을 형성하되 상기 두 실리콘 웨이퍼 중 상부 실리콘 웨이퍼를 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정으로 식각하여 상기 광결정들을 형성하고,
상기 그리드를 형성하는 단계에서, 금속막이 코팅된 상기 상부의 실리콘 웨이퍼에 상기 그리드를 형성하고,
상기 접합하는 단계에서 상기 상부의 실리콘 웨이퍼 상의 금속막이 상기 광결정들과 접촉되도록 접합하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.10. The method of claim 9,
In the forming of the photonic crystals, the photonic crystals are formed by using the two silicon wafers bonded to each other so that the coated metal film is in contact with each other as the lower silicon wafer, and the upper silicon wafer of the two silicon wafers is the silicon crystal (100) By etching in an anisotropic wet process in the direction to form the photonic crystals,
In the forming of the grid, forming the grid on the upper silicon wafer coated with a metal film,
And bonding the metal film on the upper silicon wafer in contact with the photonic crystals in the bonding step. 제9항에 있어서,
상기 광결정들을 형성하는 단계에서,
상기 하부의 실리콘 웨이퍼 상에 유전체층을 형성하고 상기 광결정들에 대응되도록 PR 패터닝한 후, 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.10. The method of claim 9,
In the forming of the photonic crystals,
After forming a dielectric layer on the lower silicon wafer and PR patterned to correspond to the photonic crystals, an anisotropic wet process toward the silicon crystal (100) is used. 제9항에 있어서,
상기 광결정들을 형성하는 단계에서,
상기 하부의 실리콘 웨이퍼 상에 상기 광결정들에 대응되도록 습식 공정용 PR을 패터닝한 후, 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.10. The method of claim 9,
In the forming of the photonic crystals,
And after patterning the wet process PR to correspond to the photonic crystals on the lower silicon wafer, an anisotropic wet process toward the silicon crystal (100) is used. 상부의 실리콘 웨이퍼 상에 일부 빈 공간들이 포함되도록 2차원 광결정 구조의 복수의 광결정들을 형성하는 단계;
상기 상부의 실리콘 웨이퍼 상의 상기 광결정들 사이의 제1 일부 빈 공간에 그리드를 형성하는 단계;
상기 그리드와 대응되는 하부의 실리콘 웨이퍼에 전자 방출원을 형성하는 단계; 및
상기 광결정들과 상기 그리드가 형성된 상기 상부의 실리콘 웨이퍼와 상기 전자 방출원이 형성된 상기 하부의 실리콘 웨이퍼를 접합하는 단계를 포함하고,
상기 광결정들 사이의 제2 일부 빈 공간을 도파로로 이용하기 위한 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.Forming a plurality of photonic crystals of a two-dimensional photonic crystal structure such that some empty spaces are included on the upper silicon wafer;
Forming a grid in a first partial empty space between the photonic crystals on the upper silicon wafer;
Forming an electron emission source on a lower silicon wafer corresponding to the grid; And
Bonding the photonic crystals and the upper silicon wafer on which the grid is formed and the lower silicon wafer on which the electron emission source is formed;
And using a second partial empty space between the photonic crystals as a waveguide. 제13항에 있어서,
상기 광결정들을 형성하는 단계에서, 각각에 코팅된 금속막이 서로 접촉하도록 접합된 두 실리콘 웨이퍼를 상기 상부의 실리콘 웨이퍼로 이용하여 상기 광결정들을 형성하되 상기 두 실리콘 웨이퍼 중 상부 실리콘 웨이퍼를 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정으로 식각하여 상기 광결정들을 형성하고,
상기 전자 방출원을 형성하는 단계에서, 금속막이 코팅된 상기 하부의 실리콘 웨이퍼에 상기 전자 방출원을 형성하고,
상기 접합하는 단계에서 상기 상부의 실리콘 웨이퍼를 뒤집어 상기 하부의 실리콘 웨이퍼 상의 금속막이 상기 광결정들과 접촉되도록 접합하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.The method of claim 13,
In the forming of the photonic crystals, the photonic crystals are formed by using the two silicon wafers bonded to each other so that the coated metal films are in contact with each other as the upper silicon wafer, wherein the upper silicon wafer of the two silicon wafers is the silicon crystal (100) By etching in an anisotropic wet process in the direction to form the photonic crystals,
In the forming of the electron emission source, the electron emission source is formed on the lower silicon wafer coated with a metal film,
And inverting the upper silicon wafer in the bonding step to bond the metal film on the lower silicon wafer to be in contact with the photonic crystals. 제13항에 있어서,
상기 광결정들을 형성하는 단계에서,
상기 상부의 실리콘 웨이퍼 상에 유전체층을 형성하고 상기 광결정들에 대응되도록 PR 패터닝한 후, 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.The method of claim 13,
In the forming of the photonic crystals,
After forming a dielectric layer on the upper silicon wafer and PR patterned to correspond to the photonic crystals, an anisotropic wet process toward the silicon crystal (100) is used. 제13항에 있어서,
상기 광결정들을 형성하는 단계에서,
상기 상부의 실리콘 웨이퍼 상에 상기 광결정들에 대응되도록 습식 공정용 PR을 패터닝한 후, 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.The method of claim 13,
In the forming of the photonic crystals,
And after patterning the wet process PR to correspond to the photonic crystals on the upper silicon wafer, an anisotropic wet process toward the silicon crystal (100) is used.
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